capitolo le trasformazioni della...

ABILITÀ

◾ Classificare la materia inbase al suo stato fisico.

◾ Identificare sostanze puree miscugli.

◾ Descrivere i passaggi distato.

◾ Descrivere le principalitecniche di separazionedei materiali.

◾ Distinguere letrasformazioni fisichedalle trasformazionichimiche.

◾ Distinguere un elementoda un composto.

1. Gli stati fisici della materiaIl mondo che ci circonda è costituito da materia. La materia si presenta a noi informe molto diverse come alberi, animali, case, automobili. La chimica si occupadello studio delle proprietà più nascoste della materia e dei suoi cambiamenti. Leporzioni di materia su cui i chimici effettuano le loro indagini sono dette sistemi.

Un sistema è una porzione delimitata di materia.

Un bicchiere d’acqua è un esempio di sistema. L’acqua è diversa dal bicchiereche la contiene; essa è liquida, incolore, inodore. Le parole liquido, incolore,inodore descrivono alcune proprietà dell’acqua. Noi riconosciamo la materiaproprio attraverso le sue proprietà caratteristiche.

Gli oggetti hanno una massa e occupano uno spazio, ossia hanno un volume.Se esaminiamo, secondo la loro forma, alcuni oggetti che si trovano nella nostracasa (Tabella 1.1), vediamo che la materia può esistere in tre stati fisici diversi,denominati anche stati di aggregazione della materia: lo stato solido, lo statoliquido e lo stato aeriforme (gas o vapore).

TABELLA 1.1 Lo stato fisico di alcuni materiali.

Solidi Liquidi Aeriformi (gas e vapori)

sale acqua aria

zucchero latte vapore acqueo: acqua che bolle,acqua che evapora

vetro: bicchieri, bottiglie,vetro delle finestre, lampadine

aceto gas metano per usodomestico

metalli: pentole, posate, chiavi,tubi dell’acqua, fili elettrici

aranciata sostanze volatili odoroseemesse da pesce, frutta, fiori

ghiaccio vino anidride carbonica contenuta inspumante, bibite gassate, pasta lievitata

legno: sedie, tavoli, finestre gas di petrolio liquefatto(GPL) per automobili

gas degli accendini

sistema

System

A body of matter underconsideration.

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Capitolo 1

Le trasformazionidella materia

TABELLA 1.2 Le proprietà caratteristiche dei tre stati di aggregazione della materia.

Solidi Liquidi Aeriformi

Volume proprio proprio occupa tutto ilvolume disponibile

Forma propria assume la formadel recipiente

assume la formadel recipiente

Densità alta media bassa

Effettodella pressione

incomprimibile(a pressioni nonelevate)

incomprimibile(a pressioni nonelevate)

comprimibile

I tre stati di aggregazione dipendono dalla costituzione della materia, dallatemperatura e dalla pressione. Per esempio, il ghiaccio è un solido e rimane talesoltanto se la temperatura si mantiene sotto 0 °C alla pressione di una atmosfera.In che cosa differiscono solidi, liquidi e aeriformi? I corpi solidi hanno unamassa, un volume e una forma definiti. I corpi liquidi hanno una massa e unvolume definiti, come i solidi, ma assumono la forma della parte di recipienteche li contiene. Infine ci sono gli aeriformi, che hanno una massa propria ma siespandono fino a occupare tutto il volume disponibile e ad assumere la formadel recipiente che li contiene. Inoltre gli aeriformi si possono comprimere, men-tre i solidi e i liquidi sono, in larga misura, incomprimibili (Tabella 1.2).

2. I sistemi omogenei e i sistemi eterogeneiLa materia può essere distinta in omogenea ed eterogenea. Per esempio l’acquacontenuta in un bicchiere è visibilmente uniforme: in particolare, ogni piccolaparte dell’acqua ha lo stesso colore e la stessa densità di qualsiasi altra parte.Colore e densità sono chiamate proprietà intensive, perché non dipendonodalla dimensione del campione, ma sono tipiche del materiale in esame. Peresempio, 1 kg di olio e 10 kg di olio hanno la stessa densità anche se le loromasse sono diverse. Siccome tutte le parti dell’acqua hanno le stesse proprietàintensive, non sono distinguibili l’una dall’altra e sono fisicamente delimitatedal bicchiere, diremo che il sistema è costituito da una sola fase.

Si dice fase una porzione di materia fisicamente distinguibile e delimitata cheha proprietà intensive uniformi.

Un sistema costituito da una sola fase è detto omogeneo.

Supponiamo ora di versare nel bicchiere alcuni cucchiaid’olio di oliva. Dato che l’olio è un liquido che non siscioglie in acqua e ha un peso specifico minore, ci aspet-tiamo di vedere due strati liquidi: l’acqua sotto e l’oliosopra (Figura 1.1). La materia contenuta nel bicchiere,quindi, non è più uniforme.

In uno dei due strati avremo la serie delle proprietàintensive dell’acqua (colore, densità ecc.) e nell’altroquella dell’olio (colore, densità ecc.). Diremo quindi cheil contenuto del bicchiere è costituito da due distintefasi liquide, cioè che il sistema è eterogeneo. In generale:

Un sistema costituito da due o più fasi è detto eterogeneo.

States ofaggregation

The states of aggregation ofmatter are three: solid,liquid, and gas.

fase

sistema omogeneo

acqua

olio

FIGURA 1.1 L’olio è un liqui-do che non si scioglie in acqua.

sistema eterogeneo

LA MATERIA E GLI ATOMI

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A

3. Le sostanze pure e i miscugliLa materia può anche essere suddivisa in due categorie: le sostanze pure e imiscugli. Sia le sostanze pure sia i miscugli possono essere a loro volta omogeneio eterogenei.

■ Le sostanze pureSecondo il linguaggio comune l’acqua potabile e l’aria che respiriamo in altamontagna sono puri; quindi la parola purezza è sinonimo di «non contamina-to». In chimica l’aggettivo puro assume un significato più preciso: un corpo èpuro se è formato da una sola sostanza.

L’acqua distillata è pura perché è acqua al 100%, costituita solo da idrogeno eossigeno. L’acqua di rubinetto invece non è pura, perché vi sono disciolte altresostanze; infatti se lasciamo evaporare l’acqua potabile troveremo nel conteni-tore un residuo bianco.

Un sistema è puro solo se è formato da una singola sostanza, la quale possiedeproprietà caratteristiche e ha una composizione costante.

■ I miscugliI sistemi costituiti da due o più sostanze sono i miscugli (o miscele), che possonoessere omogenei ed eterogenei (Tabella 1.3).

Se prendiamo del sale da cucina e lo sciogliamo completamente in acqua, avremoun miscuglio omogeneo: i grani di sale non saranno più visibili, neanche al micro-scopio. Tutte le zone del miscuglio avranno le stesse proprietà intensive (colore,densità ecc.), cioè costituiranno una singola fase. Anche acqua e alcol formano unmiscuglio omogeneo. Ai miscugli omogenei diamo il nome di soluzioni.

Un miscuglio omogeneo di due o più sostanze è chiamato soluzione. Il com-ponente più abbondante del miscuglio è il solvente, che scioglie i componentimeno abbondanti che si chiamano soluti.

Esistono anche i miscugli eterogenei, nei quali i diversi componenti (fasi) sonodistinguibili al microscopio o addirittura a occhio nudo, come nel caso deiminerali che costituiscono il granito (Figura 1.2).

Substance

A form of matter that hasconstant chemicalcomposition andcharacteristic properties(which cannot be separatedinto components withoutbreaking chemical bonds).

Approfondimento

Le impurezzeintorno a noi

sistema puro

miscuglio omogeneo

Al microscopio si vedonole goccioline di grasso.

Il granito è un miscuglioeterogeneo solido.

A occhio nudo il latteappare uniforme.

FIGURA 1.2 Due esempi disistema eterogeneo: granito elatte.

TABELLA 1.3 Come distinguere i sistemi omogenei dai sistemi eterogenei.

Definizione Sostanza Miscuglio

Sistemaomogeneo

è costituito da unasola fase

acqua pura, oro puro, cloruro disodio puro, leghe metalliche

acqua di rubinetto, sale marino,acciaio

Sistemaeterogeneo

è costituito da dueo più fasi

acqua pura e ghiaccio acqua e sabbia, legno, granito,latte, marmo, sabbia, fumo, nebbia

LE TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA

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Un miscuglio eterogeneo è costituito da due o più sostanze e presenta almenodue fasi fisicamente distinguibili.

La maggior parte dei materiali a noi noti non sono sostanze singole, ma miscu-gli più o meno complessi di sostanze diverse. Il latte (Figura 1.2) è un classicoesempio di miscuglio eterogeneo. Apparentemente il suo aspetto è uniforme mal’osservazione al microscopio rivela l’esistenza di minuscole goccioline di grassoimmerse in un liquido trasparente. Il fatto che il latte sia opaco dimostra la suaeterogeneità.

Le soluzioni non sono soltanto liquide, come acqua e sale oppure acquae zucchero ma esistono anche soluzioni gassose. L’aria che respiriamo, peresempio, (se si esclude il particellato) è un miscuglio omogeneo di azoto, diossigeno e di altri gas in percentuale minore. L’acciaio, il bronzo e le altreleghe metalliche sono invece esempi di soluzioni solide (i miscugli omogeneisolido-solido).

miscuglio eterogeneo

ESEMPIO

Distingui i seguenti materiali in sostanze pure e miscugli:a) minestrone b) bronzo c) rame d) acqua del mare

Soluzione Il minestrone, il bronzo e l’acqua del mare sono miscugli. Il rame è una sostanza pura.a) il minestrone è un miscuglio eterogeneo formato da acqua, sostanze disciolte in soluzione e

sostanze non solubili in acqua;b) il bronzo è una lega metallica costituita da rame e stagno, cioè un’altra soluzione solida;c) il rame è una sostanza pura;d) l’acqua del mare è una soluzione liquida contenente vari sali disciolti in acqua.

PROVA TU

Utilizzando la tabella, distingui i seguenti materiali in sostanze pure, miscugli omogenei e miscugli eterogenei:a) sabbiab) vetroc) olio di semid) zuccheroe) lanaf) marmog) ossigeno

PROVA TU

Completa la tabella distinguendo i miscugli omogenei da quelli eterogenei e le sostanze pure omogenee dallesostanze pure eterogenee:a) soluzione di acqua e

zuccherob) ariac) alluminiod) acqua mineralee) marmof) acqua distillata e vapo-

re (dentro una pentolaa pressione)

g) zolfo

Sostanza pura Miscuglio omogeneo Miscuglio eterogeneo

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Sostanze pureomogenee

Sostanze pureeterogenee

Miscugliomogenei

Miscugliomogenei

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A

4. I passaggi di statoLe sostanze e i materiali possono passare, per effetto delle variazioni di tempe-ratura o di pressione, da uno stato fisico a un altro. Nella Figura 1.3 sono riportatitutti i possibili passaggi di stato e le loro denominazioni.

Fornendo calore a un cubetto di ghiaccio (solido) esso si trasforma in acqua(liquido); questo passaggio è chiamato fusione. Riscaldando l’acqua si ottienevapore d’acqua; il passaggio di stato dalla fase liquida a quella di vapore è chia-mato evaporazione.

Alcune sostanze solide, per riscaldamento, si trasformano direttamente invapore senza passare per lo stato liquido. Questo processo è denominato subli-mazione. Fra le sostanze che sublimano ci sono la naftalina e altri prodotti usaticome antitarme. Anche la neve sublima: alle basse temperature dell’alta mon-tagna, infatti, la quantità di neve che si trasforma in vapore per sublimazione èmolto maggiore di quella che fonde scorrendo via sotto forma liquida.

Sottraendo calore i passaggi di stato avvengono in senso inverso:• gas possono trasformarsi direttamente in solidi e il fenomeno viene denomi-

nato brinamento;• il passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido è detto condensazione;• viene detto liquefazione il passaggio dallo stato aeriforme a quello liquido

per aumento di pressione;• infine, i liquidi sottoposti a raffreddamento solidificano.

brinamento

condensazione

solidifcazione

fusione

sublimazione

evaporazione

STATOGASSOSO

STATOLIQUIDO

tem

pe

ratu

racr

esc

en

te

STATOSOLIDO

FIGURA 1.3 Schema dei pas-saggi di stato.


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A

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I colloidi in cucinaI colloidi sono una speciale classe di materiali, a metà strada fra i miscugli omogenei ei miscugli eterogenei. I componenti di tali miscugli possono trovarsi in due o più fasidiverse (Tabella A). I colloidi usati in cucina sono costituiti da una fase dispersa fine-mente suddivisa circondata da una fase continua di un secondo materiale, che si chiamafase disperdente. Il diametro delle particelle della fase dispersa è compreso fra 1 nm e1000 nm. In sostanza le particelle sono troppo grandi per sciogliersi e troppo piccole perprecipitare e disporsi in fondo alla fase disperdente.

TABELLA A Le fasi di alcuni materiali alimentari.

Alimenti Fasi

Una sola fase

Vino, olio, acqua minerale naturale

Due fasi

Vinaigrette Olio, acqua

Ghiaccio tritato Ghiaccio, acqua

Bianco d’uovo montato Aria, acqua

Maionese Olio, acqua

Schiuma di spumante Aria, acqua

Tre fasi

Burro Grasso cristallino, grasso liquido, acqua

Cioccolato nero Grasso cristallino, cacao solido, zucchero

Quattro fasi

Gelato Acqua, grasso, aria, ghiaccio

Cioccolato al latte Grasso cristallino, grasso liquido, zucchero, cacao

Nel 1845 Francesco Selmi fu il primo a studiare i colloidi, ma la denominazione di que-sti materiali è dovuta a Thomas Graham (1861). I colloidi si possono classificare comeaerosol solidi, aerosol liquidi, schiume, schiume solide, sol, sol solidi, gel, emulsioni

(Tabella A).Facciamo alcuni esempi riguardanti le duemodalità di classificazione, secondo le

fasi componenti (Tabella A) e secondo il tipo di colloidi (Tabella B). Per esempio, il fumoche utilizziamo per affumicare lo speck è un aerosol solido, perché le particelle dinero fumo (carbone finemente suddiviso) sono disperse in una fase gassosa. Quandouna fase gassosa è dispersa in una fase liquida produce una schiuma, per esempioil bianco d’uovo montato a neve. Un gas disperso in una matrice solida è chiama-to schiuma solida, come la meringa e il polistirolo espanso. Se un solido è disper-so in un liquido lo chiamiamo sol, come il cioccolato fuso e il cioccolato in tazza.Una fase solida dispersa in un’altra fase solida costituisce un sol solido. Il cioccolatoin tavoletta è un esempio di sol solido, costituito da due solidi, lo zucchero e la polveredi cacao, dispersi nella fase solida del burro di cacao. I sol sono usati in cucina come


La scienza in cucina


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salse o come zuppe. In generale, una matrice viscosa oppure un’alta concentrazione diparticelle solide disperse fa crescere lo spessore, ossia la viscosità, di una salsa (sol)mentre riducendo ulteriormente la dimensione delle particelle solide disperse nel liqui-do aumenta la cremosità.

Si forma l’emulsione se una fase liquida è dispersa in una seconda fase liquida. Leemulsioni sono colloidi molto comuni in cucina, come alcune salse e i condimenti ingenere. Per finire, la gradevolezza dei cibi si attribuisce non solo al sapore ma pure allo«spessore, consistenza o viscosità», alla sua «cremosità» e alla «stabilità» nel tempo.Le prime due proprietà dipendono in genere dalle caratteristiche della fase disperdente,la stabilità dell’emulsione invece dalla presenza di sostanze in grado di consolidarel’emulsione (per esempio lecitine dell’uovo nell’emulsione olio-acqua della maionese).

In cucina ci sono momenti in cui si lavora per realizzare i colloidi (maionese, biancod’uovo montato, ecc.) e altre volte si previene la loro formazione. Perciò aggiungiamola pectina alla frutta per fare la marmellata, e versiamo nel vino un agente flocculante(per esempio il bianco d’uovo sbattuto) per la sua chiarificazione.

TABELLA B I colloidi in cucina.

ColloideFasedisperdente

Fasedispersa

Esempi Caratteristiche

Aerosol solido Gas Solido Fumo

Aerosol liquido Gas Liquido Bombolette spray

Schiume Liquido Gas Panna montata,bianco d’uovo montato,schiuma di birra

Schiume solide Solido Gas Meringa,polistiroloespanso

Sol Liquido Solido Cioccolato fuso

Sol solido Solido Solido Cioccolatofondente nero

Gel Solido Liquido Budino, gelatina delfondo bruno del brodo dicarne freddo

Emulsione Liquido Liquido Latte, maionese, sangue

■ Volume e densità nei passaggi di statoConsideriamo una sostanza che passa dallo stato liquido allo stato aeriforme;come abbiamo visto nel paragrafo 1, l’aeriforme tende a occupare tutto lo spaziodisponibile (Figura 1.4).

In questo modo, il volume aumenta notevolmente; se la massa rimane costante,la densità diminuisce molto. La Tabella 1.4 riporta l’esempio dell’acqua distillatae del vapore acqueo.

TABELLA 1.4 Valori di densità dell’acqua allo stato solido, liquido e aeriforme.

Materiale Ghiaccio(0 °C)

Acqua distillata(20 °C)

Vapore acqueo(100 °C)

Densità (g/cm3) 0,917 0,998 0,0060

Consideriamo ora un materiale generico che, a parità di massa, passa dallo statoliquido allo stato solido; in questo caso si verifica una piccola diminuzione delvolume, e quindi un piccolo aumento della densità.

Come potete vedere nella Tabella 1.4, l’acqua costituisce un’importante ecce-zione: il volume allo stato solido (ghiaccio) è maggiore del volume della stessaquantità di acqua allo stato liquido. Di conseguenza la densità del ghiaccio èminore di quella dell’acqua (Figura 1.5), a differenza dei benzene solido che è piùdenso di quello liquido.

■ La curva di riscaldamento di una sostanza puraUn metodo eccellente per verificare il grado di purezza di un solido consiste neldeterminare la sua temperatura di fusione, denominata anche punto di fusione.

Poniamo nel freezer a −18 °C un recipiente pieno d’acqua distillata conimmerso un termometro. Il blocco di ghiaccio col termometro, una volta estrat-to dal freezer, segnerà la temperatura di −18 °C. Lasciamo riscaldare a tempe-

diminuisce aumenta

restacostante

d = –––m

V aeriformeliquido

FIGURA 1.4 Nel passaggio daliquido ad aeriforme, il volumeaumenta e la densità diminuisce.

FIGURA 1.5 Il ghiaccio è menodenso dell’acqua, e quindi gal-leggia; il benzene solido, invece,è più denso del benzene liquido,nel quale affonda.

acqua

benzene


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A

ratura ambiente il recipiente contenenteghiaccio e termometro, e annotiamo letemperature che leggiamo. Riportandosu un grafico le temperature in funzionedel tempo, otteniamo la cosiddetta curvadi riscaldamento (Figura 1.6).

La temperatura dapprima cresce inmaniera regolare, passando da −18 °Ca 0 °C (area grigia). Quando il ghiacciocomincia a fondere, sulla curva compareun gradino (tratto B-C); anche se l’am-biente continua a cedere calore al miscu-glio di acqua e ghiaccio, la temperaturanon aumenta.

La temperatura alla quale coesistono acqua e ghiaccio è denominata tempe-ratura di fusione.

La lunghezza del segmento B-C, chiamato sosta termica, dipende dalla quantitàdi ghiaccio che deve fondere: maggiore è la quantità di ghiaccio, più lunga saràla sosta termica. Terminata la fusione di tutto il ghiaccio, la temperatura rico-mincia a salire.

Richiamiamo un concetto importante: il passaggio dallo stato solido a quelloliquido comporta sempre un aumento di volume, a eccezione dell’acqua e dipochi altri materiali, per i quali il volume aumenta durante la solidificazione.

Torniamo al nostro recipiente pieno d’acqua. Continuando a riscaldare, que-sta volta con un bunsen, la temperatura ricomincia a salire con regolarità, finoa 100 °C (area azzurra).

Raggiunti i 100 °C (alla pressione di 1 atmosfera), ha inizio l’ebollizione e siha un’altra sosta termica: anche se continuiamo a fornire calore, la temperaturanon aumenta più (tratto D-E) e si è raggiunta la temperatura di ebollizione.

Per ogni sostanza pura si può disegnare la curva di riscaldamento, come abbia-mo fatto con l’acqua. Quelle che cambiano sono la temperatura di fusione e latemperatura di ebollizione, che saranno tipiche per ogni sostanza (Tabella 1.5).Queste due proprietà intensive si possono utilizzare per identificare le diversesostanze. I passaggi di stato di soluzioni e miscugli invece non avvengono atemperature costanti.

TABELLA 1.5 La temperatura di fusione e la temperatura di ebollizione sono proprietà in-tensive caratteristiche delle sostanze pure.

Sostanza puraTemperatura

di fusione(°C) a 1 atm

Temperaturadi ebollizione(°C) a 1 atm

ossigeno −218,4 −183

azoto −210 −196

alcol etilico −115 78,5

acqua 0 100

mercurio −38,8 356,7

sale da cucina 801 1465

alluminio 660 2327

oro 1065 2808

tungsteno (metallo del filamento delle vec-chie lampadine, che ha i più elevati punti difusione e di ebollizione fra i metalli)

3410 5927

FIGURA 1.6 La curva di riscaldamento dell’acqua.

temperatura di fusione

Freezing point

The temperature at which aliquid turns into a solidwhen cooled.

RICORDA Le temperature di

fusione e di ebollizione sono ca-

ratteristiche di ciascuna sostanza

pura e possono essere utilizzate

per il riconoscimento della so-

stanza stessa.

tempo

100

t (°C)

0

–18A

B C

D E


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1


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A

La maionese: una trasformazione fisicaLa maionese è un’emulsione di olio disperso nell’acqua contenuta nel tuorlo dell’uovo,ovvero è un sistema colloidale costituito da due liquidi immiscibili dove l’olio si trovasotto forma di piccolissime gocce (fase dispersa) in un altro liquido, l’acqua del tuorlo,che agisce da fase continua, detta anche fase disperdente o matrice.

Come fanno due liquidi immiscibili a coesistere stabilmente in un unico sistema? Sefrullo l’olio con dell’acqua senza il tuorlo perché non ottengo un’emulsione stabile? Larisposta sta nella composizione chimica dell’uovo, ricco di agenti emulsionanti naturali(lecitine e proteine) che riescono a tenere insieme olio e acqua grazie alla loro strutturachimica ambivalente, con una parte affine all’acqua (idrofila) e un’altra parte affine aigrassi (idrofoba).

Un emulsionante, quindi, è una sorta di ponte che tiene collegati due materiali chealtrimenti tenderebbero col tempo a separarsi. Possiamo ottenere salse simili alla maio-nese sostituendo il tuorlo con l’albume, per esempio, oppure con delle gelatine. La con-dizione necessaria è che ci sia un ingrediente dalle proprietà emulsionanti o tensioattive.

La quantità di olio necessaria per ottenere un’emulsione stabile varierà in base aquanto grasso sarà presente nell’altro liquido (una salsa a base di albume richiederà piùolio, perché l’albume non contiene grasso e, a differenza del tuorlo, è privo di coleste-rolo). È molto importante aggiungere l’olio a filo, per evitare eccessi che potrebberorovinare il risultato finale.

Chiunque abbia fatto la maionese sa che è un prodotto poco stabile, che facilmente«impazzisce» (cioè l’olio tende a separarsi dalla fase acquosa dell’uovo). In pratica siriuniscono le goccioline di olio in gocce più grandi e si separano dalla fase acquosa. Lacausa più frequente dell’instabilità di una maionese è l’eccesso di olio. Per riparare aldanno sarà sufficiente aggiungere altra acqua, sotto forma di un tuorlo d’uovo in più, dasbattere separatamente e al quale aggiungere a poco a poco la maionese impazzita.

A livello industriale per stabilizzare la maionese sono utilizzati diversi ingredientiemulsionanti quali l’amido, i polisaccaridi, le pectine, le caseine del latte e le proteinedel siero, dell’albume e della soia.

La scienza in cucina


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1

Come ottenere una maionese perfetta?Ecco alcuni piccoli accorgimenti per ottenere un buon risultato:

1. avere tutti gli ingredienti a temperatura ambiente

perché l’olio, se troppo freddo, tende a suddividersi inpiccole goccioline con maggiore difficoltà, d’altro cantoun’emulsione calda facilita la separazione dell’oliodall’acqua, perché i grassi diventano più fluidi;

2. ottenere la giusta proporzione con la giusta tipologia

di olio perché la percentuale di olio non deve superareun certo limite (si stima intorno al 65%), oltre il qualel’acqua presente non è sufficiente a separare le goccio-line di grasso, facendo così «impazzire» la maionese.Inoltre sconsigliamo di usare olio di oliva, che è menostabile nell’emulsione rispetto a quello di semi e ren-derebbe il gusto della maionese troppo forte. Dunquemeglio utilizzare olio di semi e aggiungere solo una pic-cola quantità di olio extravergine di oliva per conferirnel’aroma;

3. sbattere in maniera molto energica perché è solo con una forte agitazione che leparticelle di olio diventano veramente piccole e riescono a disperdersi tra l’acqua ele lecitine dell’uovo;

4. salare l’emulsione solo alla fine perché il cloruro di sodio è idrofilo e potrebbetendere a sottrarre acqua al sistema, rendendo più difficile il raggiungimento dell’e-mulsione stabile.

La maionese è sicuramente la salsa più conosciuta al mondo; si trova in commercio intubetto o vasetto. Comunque, conviene imparare a fare la maionese in casa con ingre-dienti freschi (soprattutto le uova) e di qualità, se si vuole un prodotto più gustoso.

Per la lavorazione a mano, mettere il tuorlo in una ciotola, aggiungere un pizzico disale e versare l’olio goccia a goccia mescolando, sempre nello stesso verso, con unapiccola frusta o un cucchiaio di legno. Appena la salsa inizia ad addensare, aggiungerequalche goccia di limone e proseguire alternando olio e limone.

Se si utilizza una frusta elettrica,occorre versare in una ciotola il tuor-lo e un cucchiaio d’olio e frullare peralcuni secondi alla massima velocità;quando gli ingredienti si sono amalga-mati, aggiungere goccia a goccia l’oliodi arachide rimanente e il cucchiaiod’olio extra vergine, il succo di limonee il sale.

La maionese va fatta riposare un po’di tempo in frigorifero prima dell’uso.

La ricettadel chimico

La maioneseIngredienti:

• 1 tuorlo

• 100 g circa d’olio di arachide

• 1 cucchiaio d’olio extra

vergine di oliva

• 1 cucchiaio di succo di limone

• Sale

■ I passaggi di stato e la pressionePotremmo ora domandarci se l’acqua può bollire a una temperatura più bassao più alta dei 100 °C; la risposta è sì. La temperatura di fusione e quella di ebol-lizione, infatti, dipendono dalla pressione. Se la pressione esterna si abbassa,l’acqua bolle a una temperatura inferiore ai 100 °C; se, invece, si aumenta lapressione esterna, l’acqua bolle a una temperatura superiore ai 100 °C.

Per esempio in montagna, dove la pressione è inferiore a quella atmosferica,la temperatura di ebollizione dell’acqua diminuisce di 1 °C ogni 300 metri dialtitudine.

La pentola a pressione, al contrario, aumenta la temperatura di ebollizionerendendo più veloce la cottura dei cibi. L’innalzamento è reso possibile dall’au-mento di pressione del vapore all’interno della pentola sigillata; in questo modol’acqua bolle a più di 100 °C (Figura 1.7).

5. I principali metodi di separazioneSeparare i componenti di un miscuglio può essere un’attività impegnativa, spe-cialmente se si tratta dei componenti di miscugli omogenei. L’operazione è piùfacile con i miscugli eterogenei.

■ FiltrazioneCon l’uso di opportuni filtri è possibile separare particelle solide, più o menograndi, da miscugli liquidi e gassosi. Per i miscugli liquidi si usano filtri di cartaassorbente arrotolati dai quali il liquido (detto filtrato) scende per gravità versoil basso lasciando sul filtro la parte solida (Figura 1.8).

Con questa tecnica è possibile separare la sabbia da un miscuglio eterogeneoacqua-sabbia. La filtrazione è impiegata anche per separare l’acqua dai fanghiprodotti nella depurazione delle acque di scarico.

■ CentrifugazioneI miscugli eterogenei di liquidi e/o solidi, aventi densità diverse, possono essereseparati per stratificazione (o decantazione); per consentire una stratificazionepiù rapida si usa la centrifuga, un dispositivo che fornisce accelerazioni supe-riori a quella di gravità.

In passato l’olio d’oliva, dopo la spremitura, si separava dall’acqua perdecantazione in vasi di terracotta. Attualmente per ottenere lo stesso risultato siimpiega la centrifuga. In biologia le centrifughe sono molto usate per separare icomponenti delle cellule viventi (Figura 1.9).

FIGURA 1.7 Una pentola apressione.

1. Piegare a metàla carta da filtro.

2. Piegare ancoraa metà.

3. Arrotolarea cono eallargare la punta.

carta da filtro

FIGURA 1.8 Apparecchiaturaper la filtrazione.


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■ EstrazioneSe un componente di un miscuglio è solubile in un dato liquido (solvente), essopuò essere allontanato dal miscuglio. Il sistema è basato sulla capacità del sol-vente di sciogliere il componente del miscuglio che si desidera. Tale capacità èchiamata affinità.

I pigmenti verdi delle foglie e quelli arancioni della carota, per esempio, pos-sono essere estratti con etere di petrolio. La preparazione di tè e caffè è legataall’estrazione selettiva di alcuni componenti mediante acqua; il miscuglio etero-geneo ottenuto viene poi filtrato.

■ CromatografiaLa cromatografia è la più versatile fra le tecniche di separazione. Ideata nel 1906dal botanico russo Michail Cvet, questa tecnica non differisce in linea di princi-pio dalla semplice estrazione, ma ne moltiplica l’efficacia. Il solvente, che si chia-ma fase mobile, trasporta i componenti del miscuglio attraverso una fase fissa.

Nella cromatografia su strato sottile la fase fissa, costituita da un sottile stratodi materiale inerte, come silice o allumina, è fissata su una lamina di alluminio.La lamina si può ritagliare nelle dimensioni volute. Una tecnica più antica, maancora utilizzata in campo biochimico, è la cromatografia su carta: la separazio-ne dei componenti di un miscuglio, deposto sulla lastrina o sulla carta sottoforma di macchia, è provocata dalla fase mobile. Il solvente si muove attraversola fase stazionaria per azione capillare; le diverse sostanze del miscuglio si muo-vono a velocità diverse e perciò si separano (Figura 1.10).

Le tecniche strumentali cromatografiche più note sono la gascromatografia e lacromatografia liquida ad alta risoluzione (HPLC, da High Performance LiquidChromatography): la prima utilizza come solvente di trasporto un gas, la secon-da un liquido ad alta pressione.

FIGURA 1.10A Separazione dei coloranti me-

diante cromatografia su carta.B Separazione mediante croma-

tografia su carta di inchiostri dipenna a sfera. Ogni inchiostronero è in realtà un miscuglio dimolte sostanze colorate. Perseparare i pigmenti è stato usa-to il seguente solvente: alcolbutilico (6 mL); alcol etilico(2,5 mL); acqua (1,5 mL); acidoacetico (1 goccia).

BA

1. Prelevare il colorecon una pipetta.

2. Deporre macchiedi colore da 2-3 mmben allineatee a 1 cm dal fondo.

cartacromatografca

linea dipartenza

3. Inserire la carta in un bechercon poca acqua sul fondo;l’acqua deve rimanere al di sottodella linea di partenza.Eluire per 15 minuti.

FIGURA 1.9A L’imbuto separatore consente

di separare rapidamente dueliquidi immiscibili.

B Un esempio di decantazione(all’inizio e alla fine).

C Una centrifuga.

A B C


13

1

■ DistillazioneLa distillazione è il metodo privilegiato per la purificazione dei liquidi e si basasulla diversa volatilità dei componenti delle miscele liquide. La volatilità rappre-senta la tendenza a evaporare, ed è più alta per i liquidi a basso punto di ebolli-zione. La distillazione è la tecnica utilizzata per ottenere le grappe (Figura 1.11).

La distillazione riunisce in sé due passaggi di stato: l’evaporazione e la conden-sazione. Il primo inizia nel pallone di reazione in cui la miscela bolle; il secondointeressa i vapori, che vengono condensati all’interno dell’apparecchiatura conacqua fredda. Il dispositivo in cui avviene la condensazione si chiama refrigerante;il distillato viene poi raccolto in un becher o in un pallone.

I vapori di una miscela all’ebollizione sono più ricchi del componente chepossiede la maggior volatilità. La condensazione di tali vapori comporta ungrado più o meno elevato di purificazione. Nel caso della distillazione di unasoluzione contenente sali disciolti, che in genere non sono volatili, la separazio-ne dal solvente è completa.

La distillazione semplice (Figura 1.12) è usata per separare liquidi miscibili, conpunti di ebollizione che differiscono di almeno 25 °C.

La distillazione frazionata si utilizza invece quando i diversi componenti diuna miscela liquida hanno temperature di ebollizione differenti ma molto vicinefra loro, come nel caso del petrolio.

6. Dalle trasformazioni fisichealle trasformazioni chimiche

Come abbiamo visto nei paragrafi precedenti, la materia può presentarsi in trestati di aggregazione: lo stato solido, lo stato liquido e lo stato gassoso.

Alcuni cambiamenti della materia sono semplici mutamenti dello statofisico; altri consistono in variazioni delle dimensioni, dovute a espansione o acontrazione, per effetto della temperatura e della pressione esterna. Tutte questetrasformazioni, che non alterano la composizione chimica di una sostanza, sichiamano trasformazioni fisiche o fenomeni fisici.

Le trasformazioni fisiche provocano un cambiamento fisico reversibile dellamateria e non producono nuove sostanze.

L’acqua, per esempio, può passare da uno stato fisico all’altro senza diventareun’altra sostanza. Anche la dissoluzione del comune sale da cucina in acqua èuna trasformazione fisica: il sale si riottiene per evaporazione del solvente.

FIGURA 1.11 Apparecchiaturatradizionale per la distillazionedelle grappe.

FIGURA 1.12 Apparecchiaturaper la distillazione semplice.

scarico(uscita)

acqua diraffreddamento(entrata)

refrigerante

distillato

miscela

Approfondimento

La dipendenzadal petrolio

trasformazione fisica


14

A

Cerchiamo ora di distinguere le trasformazioni fisiche dalle trasformazionichimiche della materia, denominate anche fenomeni chimici oppure reazionichimiche.

Le trasformazioni chimiche sono cambiamenti che comportano la formazio-ne di nuove sostanze con proprietà anche molto diverse da quelle dei materialioriginari.

Le reazioni chimiche sono trasformazioni che comportano una variazionedella composizione chimica delle sostanze originarie (reagenti), con forma-zione di nuove sostanze (prodotti).

Le trasformazioni chimiche comportano quindi la formazione di prodotti costi-tuiti da nuove combinazioni degli elementi presenti nei reagenti. L’idrogeno el’ossigeno, per esempio, possono reagire per formare come prodotto l’acqua, uncomposto chimico.

Per rappresentare una reazione chimica si scrivono a sinistra i reagenti e adestra i prodotti, collegati da una freccia (detta freccia di reazione):

reagenti→ prodottiidrogeno + ossigeno→ acqua

La freccia spiega l’andamento della reazione e ci informa che i reagenti si tra-sformano nei prodotti.

Nella Tabella 1.6 sono elencati alcuni esempi di trasformazioni fisiche e chimi-che a confronto.

trasformazione chimica

Chemical change

A change producingproducts that differ incomposition from theoriginal substances.

TABELLA 1.6 Le trasformazioni fisiche e chimiche della materia.

Trasformazioni fisiche Trasformazioni chimiche

magnetizzazione di un agocon una calamita

combustione del gas domestico,che si trasforma in vapore acqueoe diossido di carbonio

ebollizione dell’acqua cottura di un uovo

sublimazione dello iodio formazione di ruggine suglioggetti di ferro

dissoluzione dello zuccheroin acqua

produzione di yogurte formaggio dal latte

montare il bianco d’uovo formazione di melanina,che provoca l’abbronzatura


15

1

I materiali complessi, come il legno, i fiori e la frutta, si ottengono da materialipiù semplici attraverso una lunga serie di reazioni chimiche. Anche il petrolio siè formato milioni di anni fa attraverso complicate reazioni chimiche. Tutte letrasformazioni del cibo che ingeriamo sono di natura chimica, come anche lacombustione di una candela (Figura 1.13).

In quali casi possiamo dire che c’è stata una reazione? Questa affermazione èpossibile se la trasformazione che osserviamo comporta:

1. la formazione di bollicine;

2. un cambiamento di colore;

3. un cambiamento di odore

4. la formazione o la scomparsa di un solido;

5. il riscaldamento o il raffreddamento del recipiente in cui avviene la reazione,senza che sia stato fornito o sottratto calore dall’esterno.

Se si verifica uno di questi fenomeni, esemplificati in Tabella 1.7 possiamo ritenerecon buona approssimazione che ci sia stata una reazione e che i reagenti si sianotrasformati nei prodotti. Tuttavia, per distinguere con certezza una trasforma-zione chimica da una fisica è necessario far ricorso all’analisi chimica, cioé a unprocesso di indagine in grado di determinare la composizione delle sostanze.

TABELLA 1.7 Alcune prove sperimentali di trasformazioni chimiche.

Soluzione Interpretazioni

Versando aceto sul bicarbonato di so-dio si producono bollicine

Le bollicine ci fanno pensare che si sia formatauna nuova sostanza e che quindi sia avvenutauna reazione chimica

Versando succo di limone in una tazzadi tè il colore diventa più chiaro

La variazione di colore è dovuta a una reazio-ne chimica

Aggiungendo un cucchiaino di bicar-bonato di sodio a un bicchiere di vinorosso il colore diventa più scuro

La variazione di colore è dovuta a una reazio-ne chimica

L’albume, riscaldato sul fornello,diventa un solido bianco che non èpiù solubile in acqua

La formazione di un solido bianco insolubile cidice che è avvenuta una reazione chimica

ESEMPIO

Classifica i seguenti fenomeni in trasformazioni fisiche o chimiche:

a) rompere un vetro

b) ottenere il vino dal succo d’uva fermentato

c) comprimere e raffreddare l’aria fino a liquefarla

d) sciogliere il sale in acqua

Soluzione a) Trasformazione fisica. La composizione non cambia; il vetro siriduce in frammenti.

b) Trasformazione chimica. Con la fermentazione si producononuove sostanze come alcol e diossido di carbonio.

c) Trasformazione fisica. Il gas aria diventa aria liquida.

d) Trasformazione fisica. Non si formano nuove sostanze. Il sale el’acqua producono una soluzione dalla quale, evaporando il liqui-do, si separa il sale.

Filamento che sisurriscalda(trasformazione fsica).

Cera che brucia(trasformazione chimica).

FIGURA 1.13 La combustionedi una candela. I reagenti (il ma-teriale che costituisce lo stoppinoe l’ossigeno dell’aria) si trasfor-mano nei prodotti (vapore ac-queo e diossido di carbonio).

PROVA TU

Classifica i seguenti esem-pi in trasformazioni fisi-che o chimiche:

a) tagliare a fette il pro-sciutto

b) bruciare un foglio dicarta

c) togliere una macchia digrasso con la benzina

d) cuocere una torta


16

A

7. Gli elementi e i compostiIl processo chimico che ci consente di determinare la composizione di unasostanza è chiamato analisi. I risultati di moltissime analisi ci confermano chetutti i materiali dell’Universo sono formati da due tipi di sostanze pure: gli ele-menti e i composti. Cominciamo a definire gli elementi.

Si definisce elemento una sostanza pura che non può essere trasformata, congli ordinari mezzi chimici, in altre sostanze ancora più semplici.

Quando il chimico prova a fare l’analisi di un oggetto di ferro puro, trova cheesso è costituito interamente di ferro e non si può trasformare in una sostanzaancora più semplice. Altri esempi di elementi sono l’ossigeno, l’azoto, l’oro,l’argento e tutti gli altri metalli.

Le sostanze più numerose sulla Terra sono però i composti; attualmente illoro numero supera i 18 milioni. L’acqua distillata, lo zucchero e il cloruro disodio (il nome chimico del sale da cucina) sono esempi di composti, i quali pos-sono avere un’origine naturale o sintetica.

Si definisce composto ogni sostanza pura che può essere decomposta, con gliordinari mezzi chimici, in altre sostanze pure più semplici. I composti hannouna composizione ben definita e costante.

La seconda frase della definizione ci chiarisce un punto importante per distin-guere i composti dai miscugli: i miscugli, diversamente dai composti, hanno unacomposizione che può variare e non è costante.

Un esempio di composto è l’acqua, formata dagli elementi idrogeno e ossige-no. Tale composto può essere diviso negli elementi che lo costituiscono: quandol’elettricità attraversa l’acqua (elettrolisi), questa si decompone formando idro-geno gassoso e ossigeno gassoso.

acqua(l)→ idrogeno(g) + ossigeno(g)

I pedici (l) e (g) indicano che l’acqua (il reagente) è allo stato liquido, mentrel’idrogeno e l’ossigeno, cioè i due prodotti, si trovano allo stato gassoso.

La Figura 1.14 riassume schematicamente le trasformazioni della materia.

Element

A basic building block ofmatter that cannot bebroken down into simplersubstances by ordinarychemical changes.

elemento

Compound

A distinct substance com-posed of two or moreelements combined in adefinite proportion by mass.

composto

RICORDA La composizione di

un miscuglio, a differenza di

quella di un composto, è varia-

bile.

FIGURA 1.14 Le trasformazio-ni della materia.

soluzioni:acqua potabile,

cognac, aria,bronzo

sostanzepure

miscugli

miscuglieterogenei:

sabbia, legno,roccia, sangue

elementi:carbonio, oro,

ossigeno,azoto

composti:acqua,

zucchero,sale

possono esseredecomposti

per via chimica?

sono omogenei?

se no sono se sì sono

se no sono se sì sono

se sì sono se no sono

possono essere separaticon mezzi fsici?

I materiali


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1

ESERCIZ

ILA MATERIA E GLI ATOMIA

18

3.Le sostanze pure e i miscugli11 Indica, dopo una discussione con i tuoi compa-

gni, quali sono sostanze pure e quali miscugli.a) pioggia b) olio di semi c) sabbiad) argento e) ossigeno f) acciaio

Sostanza pura Miscuglio

12 In che modo puoi distinguere un miscuglioomogeneo da uno eterogeneo?

13 Riporta almeno quattro esempi di miscugli omo-genei e quattro di miscugli eterogenei, giustifi-cando le tue scelte.

14 Completa la seguente tabella indicando se i sistemiindicati sono omogenei o eterogenei. In entram-bi i casi cerca informazioni sui costituenti pre-senti.

Sistema Omogeneo/eterogeneo

Componenti

latte

monile in oro

dentifricio

zucchero da tavola

4. I passaggi di stato15 A parità di massa, il volume di gran parte dei

solidi è maggiore o minore di quello dei corri-spondenti liquidi?

16 Completa la seguente tabella indicando lo statofisico delle sostanze A, B e C a temperaturaambiente (t = 20 °C; p = 1 atm).

Sostanza tf (°C) teb (°C) Stato fisico

A 645 1300

B −7 59

C −165 −92

5. I principali metodi di separazione17 Indica il tipo di miscuglio e ipotizza la tecnica da

utilizzare per separare dal miscuglio il compo-nente indicato.

1.Gli stati fisici della materia1 Quale stato della materia è caratterizzato da

forma e volume indefiniti?

2 Quale stato della materia possiede una formapropria?

3 Quale stato della materia è caratterizzato daincomprimibilità e forma indefinita?

4 Costruisci una tabella che riassuma le caratteri-stiche degli stati fisici della materia, con esempiper ciascuno di essi.

5 L’alcol etilico fonde a 158 K e bolle a 351 K. Qualè il suo stato fisico alla temperatura di –20 °C?

6 Alla pressione di 1 atm, l’acqua fonde a 0 °C ebolle a 100 °C.

▶ Calcola le temperature di fusione e di ebolli-zione dell’acqua, espresse in kelvin.

▶ Calcola poi la differenza fra teb e tf (intervallodi liquidità), in gradi Celsius e in kelvin, e con-fronta i valori ottenuti.

7 Una massa di 100 g di azoto gassoso è contenutain un recipiente di volume pari a 1 L. Il reci-piente viene collegato, mediante un tubo, a unsecondo contenitore di volume 2 L.▶ Quali saranno il volume finale occupato dalgas e la sua massa?

2. I sistemi omogenei e i sistemieterogenei

8 Indica l’affermazione corretta.a Si definisce fase una porzione di materia chi-

micamente distinguibile e delimitata che haproprietà intensive uniformi.

b Si definisce fase una porzione di materiafisicamente distinguibile e delimitata che haproprietà intensive uniformi.

c Si definisce fase una porzione di materiafisicamente distinguibile e delimitata che haproprietà estensive uniformi.

d Si definisce fase una porzione di materia fisi-camente distinguibile perché si trova in unostato fisico diverso dal resto del materiale.

9 Qual è la differenza tra un sistema omogeneo e unsistema eterogeneo? Rispondi in cinque righe.

10 Qual è la differenza tra fase e stato fisico?Rispondi in cinque righe.

Quesiti & Problemi 20 esercizi interattivi

ESERCIZ

I

LE TRASFORMAZIONI DELLA MATERIA 1

19

Componentee miscuglio

Tipo dimiscuglio

Tecnica(o tecniche)di separazione

colorantida una bibita

polvere dall’aria

acqua dall’acquamarina

18 Come puoi ottenere un campione puro di ferroda un miscuglio eterogeneo di limatura di ferroe di polvere di zolfo?

19 In che modo potresti separare, da un miscuglio didue polveri, solfato di bario (un solido insolubilein acqua) e cloruro di sodio (il sale da cucina)?

20 Alcuni campioni di sostanze raccolti per un’a-nalisi ambientale vengono sottoposti a cromato-grafia. Si ottiene il seguente cromatogramma.

frontedi avanzamentodel solvente

linea d’inizioA B C D E

▶ Quali campioni sono sostanze pure?▶ Quali campioni sono costituiti da miscugli dicomponenti diversi?▶ Quali campioni sono uguali fra loro?▶ Quali campioni hanno in comune almeno uncomponente?

6.Dalle trasformazioni fisichealle trasformazioni chimiche

21 Qual è la differenza tra una trasformazione fisicae una trasformazione chimica?

22 Quante trasformazioni fisiche e quante trasforma-zioni chimiche sono descritte nel seguente brano?La benzina è spruzzata nel carburatore, è misce-lata con l’aria, è convertita in vapore e infine è

bruciata; i prodotti di combustione si espandononei cilindri.

23 Come si rappresenta una reazione chimica?

24 Nella cucina di casa tua possono avvenire diversifenomeni.

▶ Quali sono reazioni chimiche e quali invecesono trasformazioni fisiche?

7.Gli elementi e i compostiPer rispondere alle domande 28, 29, 30 e 31 utilizza latavola periodica degli elementi posta alla fine del libro,dove puoi trovare nome e simbolo di ogni elemento.

25 Che cos’è un composto?

26 Qual è la differenza tra elemento e composto?

27 Qual è la differenza tra miscuglio e composto?

28 Quali elementi formano il composto chiamatoacido solforico, H2SO4?

29 Da quali elementi è composto il solfato di sodio,Na2SO4?

30 Da quali elementi è composto l’idrossido di potas-sio, KOH?

31 Identifica nei seguenti composti gli elementi cheli costituiscono:

a) NaCl (sale da cucina, cloruro di sodio)b) H2O (acqua)c) C6H12O6 (glucosio)d) CH4 (metano)e) NH3 (ammoniaca)

32 Osserva i prodotti che si trovano nella tua cucinae classificali come miscugli, elementi o composti.

INVESTIGARE INSIEME

Metti sul fornello acceso di gas metano, CH4, una

pentola contenente acqua fredda.

▶ Nei primi tre o quattro secondi, che cosa osser-

vi sulle pareti fredde della pentola?

▶ Quali sono i prodotti di combustione?

▶ Discuti con l’insegnante e con i compagni.

capitolo le trasformazioni della...

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